固体径迹探测器

用于固体径迹探测的设备

固体径迹探测器是用绝缘固体材料来记录质量大于质子的带电粒子径迹的探测器。

基本信息

材料包括云母、石英及各种矿物晶体；玻璃、陶瓷等非晶体;聚碳酸酯、硝酸纤维、醋酸纤维、聚酯等聚合物塑料。固体径迹探测器是20世纪60年代发展起来的，可探测质子、α 粒子、重离子、裂变碎片和宇宙线中的原子核等。

基本原理

当这些带电粒子通过固体径迹探测器时，在它们的路径上材料产生辐射损伤，形成一条连续的辐射损伤径迹，这种径迹可用电子显微镜观察到。当把带有辐射损伤径迹的材料放入强酸（如氢氟酸、硝酸和盐酸等）或强碱（如氢氧化钾或氢氧化钠溶液）等蚀刻剂中时，由于材料受到辐射损伤部分的化学活性强，能以较快速度从探测器表面开始与蚀刻剂反应，并溶入蚀刻剂，沿辐射损伤径迹出现一条细长的孔洞或蚀锥。同时蚀刻剂也从各种表面腐蚀探测器材料，但速度要慢得多。于是孔洞直径不断扩大。以上过程称为蚀刻，孔洞即为蚀刻后的径迹。当径迹直径扩大到微米数量级时，就可用光学显微镜观察。

阈特性

固体径迹探测器具有明显的阈特性，只有当入射粒子在探测器中产生的辐射损伤密度（相应于沿粒子轨迹上单位长度被电离或激发的原子的个数）大于某一阈值时，才能蚀刻出径迹。这一阈值与探测器材料和蚀刻剂的性质有关，与入射粒子的种类无关，不同材料有不同阈值。无机固体具有较高阈值，只能记录较重的粒子。塑料具有较低阈值，可以记录较轻的重带电粒子。β、γ和 X射线在各种固体径迹探测器中的辐射损伤密度都低于其阈值，不能产生径迹。利用这种阈特性，可以在同时有β、γ、X 射线及较轻粒子的场合无干扰地记录所需要的重带电粒子。

分辨粒子

固体径迹探测器具有分辨粒子的能力。同一径迹上不同位置的辐射损伤物质与蚀刻剂反应的速度不同，辐射损伤密度越大，沿径迹的蚀刻速度也越大。测量径迹上某点的蚀刻速度或单位时间产生的蚀锥长度，可以知道该点的辐射损伤密度。辐射损伤密度与入射粒子的电荷数及速度（或能量）有关，测量径迹上某点的蚀刻速度和剩余射程，就可以确定粒子的电荷数、质量数和能量。分辨粒子电荷数的另一种方法是测量最大可蚀刻射程，即在固体径迹探测器中辐射损伤密度大于阈值的一段的长度（即剩余射程）。对同一种探测器材料，同一种粒子的最大可蚀刻射程相同，不同种类粒子的最大可蚀刻射程不同。最大可蚀刻射程与粒子电荷数一一对应。在电荷分辨率方面，对轻原子核，固体径迹探测器不如核乳胶高；但对重原子核，固体径迹探测器比核乳胶要好。

温度影响

在常温下，固体径迹探测器中的径迹很稳定。比如,裂变碎片在白云母中的辐射损伤径迹,在145℃可保留45亿年以上。因此,组成地球、月岩和陨石的矿物中，保存着自它们生成以来直到目前所记录的各种重带电粒子的径迹，这些矿物，是数亿或数万年以前开始工作的固体径迹探测器，为现代人类积累了大量古代科学资料。在高温下，固体径迹探测器中的径迹发生衰退或消失（称为退化）,由矿物中径迹的退火情况,可以推测地球或天体局部或整体的温度变化。

应用

由于固体径迹探测器具有能克服强本底干扰，能测量粒子的电荷、质量和能量，保存古代产生的重带电粒子径迹，位置灵敏和材料普遍等优点，已经得到广泛应用。在原子核物理和粒子物理研究中，利用它不怕强本底干扰的特性，已广泛用来在强入射束中测量裂变几率、裂变寿命、裂变碎片角分布(见核裂变)，寻找裂变同质异能素，鉴定加速器合成的超钚元素和超重元素，测量核反应截面、分支比和角分布等，利用阻塞效应测量复合核寿命。利用它分辨电荷和记录古代径迹的能力，在自然界寻找超重核和磁单极子。利用它记录直接或次级重带电粒子径迹，进行地面和高空辐射剂量测量。在天体物理中，利用固体径迹探测器分辨粒子和记录古代径迹的能力，通过分析陨石、月岩和塑料中记录的古代和现代宇宙线中的原子核的成分和能谱、太阳粒子的成分和能谱，正在研究宇宙射线起源、恒星演化、太阳系元素合成和行星演化等方面的问题。在地质学和考古学中,利用地球矿物或物体中积累的U自发裂变径迹和陨石矿物中积累的U和已绝灭的Pu自发裂变径迹,可以测定地球物质或天体形成、冷却或受热的年代，以及测定考古年代。在分析化学、地球化学、冶金学、结晶学和生物医学中，可以测定铀、钍、钚、硼、锂、铅、铋等多种元素的微小含量和微观分布。在铀矿普查勘探中，通过记录铀子体氡的α径迹，寻找地下铀矿。另外，利用蚀刻后径迹的微孔形状，可以制作电子工业、化学工业和医学上需要的微孔过滤器。此外固体径迹探测器还可用作射线照相的底片。

参考书目

R.L.Fleischer,et αl.,Nuclear TRacks in Solids, Univ. of Cal. Press, Berkeley, 1975.

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